專利名稱：基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法
技術領域：
本發(fā)明涉及軌道交通技術，特別是涉及一種基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法的技術。
背景技術：
包括城市軌道交通列車在內的軌道交通工具一旦發(fā)生追尾或對撞等碰撞事故，會造成嚴重的生命和財產損失；尤其在隧道內發(fā)生碰撞事故時，事故的救援和處理都極其不便，更加重了事故帶來的危害和影響。目前，大部分國家均采用列車運行控制(Train Control System, TCS,或針對地鐵線路的Automatic Train Control, ATC)系統(tǒng)來保證列車的運行安全，以避免列車碰撞事故發(fā)生，盡管其技術發(fā)展和應用已經十分成熟，然而最近十幾年，列車安全事故仍然時有發(fā)·生，尤其是近幾年在各國發(fā)生的嚴重地鐵列車追尾事故表明基于信號與通信(Signalingand Communication)技術的列車運行控制系統(tǒng)雖嚴密但復雜,但任何外部的不利因素和系統(tǒng)的缺陷都可能導致系統(tǒng)整體或局部故障，或者迫使系統(tǒng)降級至安全系數低的備用模式，繼而增加列車碰撞事故發(fā)生的幾率。鑒于目前列車碰撞事故仍然時有發(fā)生，相關技術人員在完善現有系統(tǒng)安全措施的同時，也在開展新的獨立于現有安全措施的列車防撞技術的開發(fā)，包括衛(wèi)星定位(Satellite Based Positioning)、圖像識別(Image Recognition)、防撞雷達(Anti-Crash/Collision Radar)等技術，以及利用單個技術的優(yōu)點而集成的防撞系統(tǒng)?，F有列車防撞技術都是基于電磁波感測、探測機制的防撞技術，這類技術的缺陷在于，當列車線路在隧道內時，基于電磁波感測、探測機制的防撞技術均不能有效發(fā)揮作用，對于長時間運行在長距離隧道中的地鐵列車而言，其缺陷尤其明顯，主要表現在
1)在隧道內，尤其是長距離隧道內，列車無法利用電磁波直接與隧道外部的中繼(如衛(wèi)星)建立通信；
2)隧道的曲率和狹小的空間等因素限制了車載圖像感測方法的有效作用距離；
3)由于隧道中內部設施的影響和空間的限制，隧道內中高頻電磁波衰減快、回波復雜，且地鐵線路有上下起伏坡度和彎道，造成探測盲區(qū)，因而電磁波雷達在隧道內無法發(fā)揮有效作用。由此可見，現有的列車防撞技術在隧道內的應用效果不佳，尤其是在非直形的長距離隧道內基本無法有效提高列車的行駛安全性，不能很好的避免列車碰撞事故發(fā)生，在地鐵線路中的應用效果較差。

發(fā)明內容
針對上述現有技術中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能提高列車在隧道內的行駛安全性的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法。為了解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的一種基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，涉及包含有多輛列車的列車交通網絡，其特征在于包括與列車交通網絡中的列車數量一致的多個防撞通信單兀，每個防撞通信單兀對應一輛列車；
每個防撞通信單元中均有兩個聲波通信子單元，每個防撞通信單元中的一個聲波通信子單元安裝在對應列車的車頭，另一個聲波通信子單元安裝在對應列車的車尾；
所述聲波通信子單元包括一用于發(fā)射聲波的聲波發(fā)射裝置、一用于接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設備、一示警終端；
所述聲波發(fā)射裝置設有探測信號輸入端，所述聲波接收裝置設有反饋信號輸出端，所述示警終端上設有示警信號輸入端；
所述信號控制處理設備設有探測信號輸出端、反饋信號輸入端、預警信號輸出端，并內置有用于控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其反饋信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其探測信號輸出端接到聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，其反饋信號輸入 端接到聲波接收裝置的反饋信號輸出端，其預警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端。進一步的，所述示警終端安裝在對應列車的駕駛室內，示警終端上設有示警信息發(fā)生部件。進一步的，所述信號控制處理設備的預警信號輸出端接入對應列車的制動系統(tǒng)和/或自動運行保護系統(tǒng)。進一步的，所述聲波通信子單元還包括一供電設備，所述供電設備中內置有不間斷電源，所述不間斷電源的電源輸入端接到對應列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發(fā)射裝置、聲波接收裝置、示警終端及信號控制處理設備的電源輸入端。進一步的，所述聲波發(fā)射裝置包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構成聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端。進一步的，所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合。進一步的，所述聲波接收裝置包括前置放大器、信號調理器及至少一個傳聲器，所述信號調理器的調理信號輸出端構成聲波接收裝置的反饋信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端。進一步的，所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。本發(fā)明所提供的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于
每輛列車利用聲波發(fā)射裝置向列車前方發(fā)射聲波探測信號；
每輛列車利用聲波接收裝置接收后方列車發(fā)射的聲波探測信號，并在收到后方列車發(fā)射的聲波探測信號后，利用聲波發(fā)射裝置向列車后方發(fā)射聲波應答信號；
每輛列車利用聲波接收裝置接收前方列車發(fā)射的聲波應答信號，并在收到前方列車發(fā)射的聲波應答信號后，根據本車發(fā)射的聲波探測信號與接收到的聲波應答信號之間的收發(fā)時差，及聲波傳播速度、本車行進速度，利用信號控制處理設備計算出本車與前車之間的間距，再判斷本車與前車之間的間距是否小于安全距離；如果判斷出本車與前車之間的間距小于安全距離，信號控制處理設備即向本車的示警終端輸出預警信號。進一步的，如果判斷出本車與前車之間的間距小于安全距離，信號控制處理設備即向本車的制動系統(tǒng)輸出制動信號，使本車的制動系統(tǒng)對本車實施制動操作，或向本車的保護系統(tǒng)輸出限速信號，使本車的保護系統(tǒng)對本車實施限速操作。進一步的，所述聲波探測信號是按時序間歇發(fā)射的單頻率聲波信號，或是按時序間歇發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序持續(xù)發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序間歇發(fā)射的調幅聲波，或是按時序間歇發(fā)射的調頻聲波；
所述聲波應答信號是單頻率聲波信號，或是按時序發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是調幅聲波，或是調頻聲波。本發(fā)明提供的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法，采用聲波作為通信手 段，來實現列車之間的簡單通信，不依賴現有的信號、通信等相關設備和系統(tǒng)，只輸出單向指令，具有很強的獨立性，聲波最大的優(yōu)點在于可靠的長距離傳輸能力，一方面中低頻聲波在開闊空間的傳播衰減就比較小，另一方面，某些頻段的聲波可在(半、雙、橢)圓形、矩形等各類隧道中以很低的衰減率直線或曲線傳播，即聲導波(Guided Sound Waves),其在一般隧道中有效傳播距離可達數公里，遠大于一般列車的安全距離，甚至大于某些地鐵線路的閉塞區(qū)間距離，因而聲波可在隧道內或開闊空間用于列車之間的簡單通信，在正常運行或應急狀態(tài)下起到長距離示警、防撞保護作用，從而降低列車在隧道內的碰撞風險和損失；還可在一定程度上獨立實現列車的移動閉塞(Moving Block)機制，對隧道線路在正常運營或故障降級情況下保證運營效率提供實際幫助，能提高列車在隧道內的行駛安全性，相對現有列車防撞技術具有應用成本低、簡單可靠、兼容性好的優(yōu)點；系統(tǒng)裝置完全車載因而幾乎不需要對線路做額外的施工和維護，而且對現有線路的電力、信號和通信系統(tǒng)不產生干擾，對人員無任何傷害，特別適合在城市地鐵線路中應用。


圖I是本發(fā)明實施例基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)的結構示意圖2是本發(fā)明實施例基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)中的聲波通信子單元的結構示意
圖3是本發(fā)明實施例基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法流程圖。
具體實施例方式以下結合

對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結構及其相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范圍。如圖I所示，本發(fā)明實施例所提供的一種基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，涉及包含有多輛列車I的列車交通網絡，其特征在于包括與列車交通網絡中的列車I數量一致的多個防撞通信單兀，每個防撞通信單兀對應一輛列車I ;
每個防撞通信單元中均有兩個聲波通信子單元2，每個防撞通信單元中的一個聲波通信子單元2安裝在對應列車I的車頭，另一個聲波通信子單元2安裝在對應列車I的車尾；如圖2所示，所述聲波通信子單元包括一用于發(fā)射聲波的聲波發(fā)射裝置、一用于接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設備、一示警終端；
所述聲波發(fā) 射裝置設有探測信號輸入端，所述聲波接收裝置設有反饋信號輸出端，所述示警終端上設有示警信號輸入端；
所述信號控制處理設備設有探測信號輸出端、反饋信號輸入端、預警信號輸出端，并內置有用于控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其反饋信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其探測信號輸出端接到聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，其反饋信號輸入端接到聲波接收裝置的反饋信號輸出端，其預警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端。本發(fā)明實施例中所述示警終端安裝在對應列車的駕駛室內，示警終端上設有示警信息發(fā)生部件。所述示警信息發(fā)生部件包括示警音發(fā)生部件(如蜂鳴器)、示警光發(fā)生部件(如示警燈)、示警顯示屏，示警終端的示警音發(fā)生部件、示警光發(fā)生部件、示警顯示屏各經示警電路接到示警終端的示警信號輸入端。本發(fā)明實施例中，所述信號控制處理設備的預警信號輸出端接入對應列車的制動系統(tǒng)和/或自動運打保護系統(tǒng)。本發(fā)明實施例中，所述聲波通信子單元還包括一供電設備，所述供電設備中內置有不間斷電源(UPS)，所述不間斷電源的電源輸入端接到對應列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發(fā)射裝置、聲波接收裝置、示警終端及信號控制處理設備的電源輸入端。本發(fā)明實施例中，所述聲波發(fā)射裝置為現有技術，包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構成聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端，所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合，揚聲器的數量多于一個時，可將各揚聲器排列成揚聲器陣列。本發(fā)明實施例中，所述聲波接收裝置為現有技術，包括前置放大器、信號調理器及至少一個傳聲器，所述信號調理器的調理信號輸出端構成聲波接收裝置的反饋信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端，所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。本發(fā)明實施例中，所述信號控制處理設備是單片機，所述示警終端中的示警電路為現有技術。如圖3所示，本發(fā)明實施例所提供的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于
每輛列車車頭的聲波通信子單元，利用信號控制處理設備控制聲波發(fā)射裝置向列車前方(即列車行進方向)發(fā)射聲波探測信號；
每輛列車車尾的聲波通信子單元，利用聲波接收裝置接收后方列車發(fā)射的聲波探測信號，并在收到后方列車發(fā)射的聲波探測信號后，輸入到信號控制處理設備進行分析判斷，如果判斷出收到的聲波探測信號是由后車發(fā)出的，即利用信號控制處理設備控制聲波發(fā)射裝置向列車后方(即向后車)發(fā)射聲波應答信號；
每輛列車車頭的聲波通信子單元，利用聲波接收裝置接收前方列車發(fā)射的聲波應答信號，并在收到前方列車發(fā)射的聲波應答信號后，根據本車發(fā)射的聲波探測信號與接收到的聲波應答信號之間的收發(fā)時差，及聲波傳播速度、本車行進速度，利用信號控制處理設備計算出本車與前車之間的間距，再判斷本車與前車之間的間距是否小于安全距離；
如果計算出的本車與前車之間的間距小于安全距離閾值，即判定本車與前車之間的間距小于安全距離，信號控制處理設備即向本車的示警終端輸出預警信號，使本車示警終端發(fā)出示警信息，并向本車的制動系統(tǒng)輸出制動 信號，使本車的制動系統(tǒng)對本車實施制動操作，或向本車的保護系統(tǒng)輸出限速信號，使本車的保護系統(tǒng)對本車實施限速操作；
所述安全距離閾值是由信號控制處理設備預先設定的固定值，或是由信號控制處理設備根據預先設定的固定值及本車行進速度計算出來的變量值；
所述示警信息包括示警音(如蜂鳴器的蜂鳴聲)、示警光(如示警燈閃爍)、示警文字和/或示警圖案。本發(fā)明實施例中，所述聲波探測信號是按時序間歇發(fā)射的單頻率聲波信號，或是按時序間歇發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序持續(xù)發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序間歇發(fā)射的調幅聲波，或是按時序間歇發(fā)射的調頻聲波。本發(fā)明實施例中，所述聲波應答信號是單頻率聲波信號，或是按時序發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是調幅聲波，或是調頻聲波。本發(fā)明實施例中，所述聲波探測信號及聲波應答信號可以是頻率小于20Hz的次聲波信號，也可以是20Hz到20kHz的音頻聲波信號，也可以是20kHz以上的超聲波。本發(fā)明實施例中，所述多頻率聲波信號序列是指由多個不同頻率的聲波按時序組合而成的聲波信號。本發(fā)明實施例中，每輛列車車頭的聲波通信子單元中的聲波發(fā)射裝置所發(fā)射的聲波探測信號，應當與其它列車車尾的 聲波通信子單元的聲波發(fā)射裝置所發(fā)射的聲波應答信號有所區(qū)別。通常，列車的運行線路很長，聲波的傳播速度超過每小時1200公里，遠大于一般列車的運行速度，而空氣聲波的發(fā)射和接收比較簡單，相關設備成熟、可靠、低廉，尤其適用于地鐵列車之間以輔助行車安全為目的、無需大量數據交換的列車之間的通信。
權利要求
1.一種基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，涉及包含有多輛列車的列車交通網絡，其特征在于包括與列車交通網絡中的列車數量一致的多個防撞通信單元，每個防撞通信單元對應一輛列車； 每個防撞通信單元中均有兩個聲波通信子單元，每個防撞通信單元中的一個聲波通信子單元安裝在對應列車的車頭，另一個聲波通信子單元安裝在對應列車的車尾； 所述聲波通信子單元包括一用于發(fā)射聲波的聲波發(fā)射裝置、一用于接收聲波的聲波接收裝置、一信號控制處理設備、一示警終端； 所述聲波發(fā)射裝置設有探測信號輸入端，所述聲波接收裝置設有反饋信號輸出端，所述示警終端上設有示警信號輸入端； 所述信號控制處理設備設有探測信號輸出端、反饋信號輸入端、預警信號輸出端，并內置有用于控制其各信號輸出端的輸出信號，及處理分析其反饋信號輸入端的輸入信號的信號處理模塊，其探測信號輸出端接到聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，其反饋信號輸入端接到聲波接收裝置的反饋信號輸出端，其預警信號輸出端接到示警終端的示警信號輸入端。
2.根據權利要求I所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述示警終端安裝在對應列車的駕駛室內，示警終端上設有示警信息發(fā)生部件。
3.根據權利要求I所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述信號控制處理設備的預警信號輸出端接入對應列車的制動系統(tǒng)和/或自動運行保護系統(tǒng)。
4.根據權利要求I所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述聲波通信子單元還包括一供電設備，所述供電設備中內置有不間斷電源，所述不間斷電源的電源輸入端接到對應列車的供電輸出端，其供電端接到聲波發(fā)射裝置、聲波接收裝置、示警終端及信號控制處理設備的電源輸入端。
5.根據權利要求I所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述聲波發(fā)射裝置包括功率放大器及至少一個揚聲器，所述功率放大器的源信號輸入端構成聲波發(fā)射裝置的探測信號輸入端，功率放大器的放大信號輸出端接到各揚聲器的電信號輸入端。
6.根據權利要求5所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述揚聲器是電動式揚聲器、靜電式揚聲器、電磁式揚聲器、壓電式揚聲器、氣動式揚聲器中的一種，或是其中的多種的組合。
7.根據權利要求I所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述聲波接收裝置包括前置放大器、信號調理器及至少一個傳聲器，所述信號調理器的調理信號輸出端構成聲波接收裝置的反饋信號輸出端，所述前置放大器的放大信號輸出端接到信號調理器的源信號輸入端，前置放大器的源信號輸入端分別接到各傳聲器的電信號輸出端。
8.根據權利要求7所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)，其特征在于所述傳聲器是電容傳聲器、壓電式傳聲器、電動傳聲器、駐極體傳聲器中的一種，或是其中的多種的組合。
9.根據權利要求I所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于 每輛列車利用聲波發(fā)射裝置向列車前方發(fā)射聲波探測信號； 每輛列車利用聲波接收裝置接收后方列車發(fā)射的聲波探測信號，并在收到后方列車發(fā)射的聲波探測信號后，利用聲波發(fā)射裝置向列車后方發(fā)射聲波應答信號； 每輛列車利用聲波接收裝置接收前方列車發(fā)射的聲波應答信號，并在收到前方列車發(fā)射的聲波應答信號后，根據本車發(fā)射的聲波探測信號與接收到的聲波應答信號之間的收發(fā)時差，及聲波傳播速度、本車行進速度，利用信號控制處理設備計算出本車與前車之間的間距，再判斷本車與前車之間的間距是否小于安全距離； 如果判斷出本車與前車之間的間距小于安全距離，信號控制處理設備即向本車的示警終端輸出預警信號。
10.根據權利要求9所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法,其特征在于如果判斷出本車與前車之間的間距小于安全距離，信號控制處理設備即向本車的制動系統(tǒng)輸出制動信號，使本車的制動系統(tǒng)對本車實施制動操作，或向本車的保護系統(tǒng)輸出限速信號，使本車的保護系統(tǒng)對本車實施限速操作。
11.根據權利要求9所述的基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)的防撞方法，其特征在于所述聲波探測信號是按時序間歇發(fā)射的單頻率聲波信號，或是按時序間歇發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序持續(xù)發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是按時序間歇發(fā)射的調幅聲波，或是按時序間歇發(fā)射的調頻聲波； 所述聲波應答信號是單頻率聲波信號，或是按時序發(fā)射的多頻率聲波信號序列，或是調幅聲波，或是調頻聲波。
全文摘要
一種基于聲波通信的列車防撞系統(tǒng)及其防撞方法，涉及軌道交通技術領域，所解決的是提高列車在隧道內的安全性的技術問題。該系統(tǒng)包括分別安裝各輛列車上的多個防撞通信單元，每個防撞通信單元中均由分別安裝在車頭及車尾的兩個聲波通信子單元組成，每個聲波通信子單元包括一聲波發(fā)射裝置、一聲波接收裝置、一信號控制處理設備；后車向前車發(fā)射聲波探測信號，前車接收到后車發(fā)射的聲波探測信號后，向后車發(fā)射聲波應答信號，后車接收到前車發(fā)射的聲波應答信號后，根據聲波探測信號與聲波應答信號之間的收發(fā)時差計算出本車與前車之間的間距，再根據計算結果判斷列車的碰撞風險。本發(fā)明提供的系統(tǒng)及方法，特別適合在城市地鐵線路中應用。
文檔編號B61L23/34GK102756748SQ20121027035
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2012年7月31日
發(fā)明者周文晉, 夏海波, 李曉東, 蔡志博, 鮑明 申請人:上海中科高等研究院, 中國科學院聲學研究所